立式加工中心上的粉末冶金件微加工工艺

　　通过优化粉末冶金工具钢的微加工工艺，这家车间已经降低了生产成本、交货时间和复杂模具元件的钳工二次打磨工作量。
　　
　　在我采访宾夕法尼亚州SaintMarys镇的Quala-Die公司即将结束的时候，该公司的负责人指着一些过时的EDM放电加工设备说，这些机床正在等待销售处理。当然，这里指的是那些还未被新型EDM放电加工设备所取代的机床（图1）。那是因为Quala-Die公司在推行淬火模具元件的微加工技术中，取得了良好的效果，这些元件用于生产结构紧密的粉末冶金件，而微加工技术的使用，已大大减少了该车间正在执行的放电加工的工作量。
　　

图1该车间使用图中所示的EDM放电加工电极，并以其微加工方式对精密细节进行铣削加工

　　
　　Quala-Die公司的采购项目经理RyanMagaro先生担任了我当天的导游，他说，该车间从淬火工具钢元件精密细节的微加工工艺中，获益匪浅，这些元件也是由粉末冶金材料制成，但采用了不同的方式。采用微加工技术可节约加工EDM电极所需要的额外费用和时间。此外，它大大减少了钳工在抛光清除重铸材料时所需的二次工作量。因此，该车间的工装周转时间加快了很多，而钳工工作量平均减少了20%。
　　
　　该车间已经建立了其微加工方法。Magaro先生确信，由SecoTools公司产品技术员JayBall先生提供的支持和指导，对Quala-Die公司的成功一直起着很大的作用。在访问该公司期间，Magaro先生介绍了该车间在采用一种完全不同的方式来创建复杂的粉末冶金模具元件时所取得一些经验和教训。
　　
　　向微加工方向发展
　　
　　DennisSchatz先生于1978年创建了Quala-Die公司，当时，这是一家只有两个人的操作车间，以地下室为生产基地。今天，其90人的加工车间坐落在一个带有空调的45000ft2（1ft2=0.093m2）工厂内，其加工能力包括EDM线切割机床和EDM模具加工机床、数控铣床和车床以及各种磨床。
　　
　　Quala-Die公司专门从事模具的设计和生产，用于创建粉末冶金金属元件。事实上，该车间是美国最大的粉末冶金压缩模具供应商。Quala-Die公司的重点集中在复杂模具的加工上（其中大部分为汽车应用领域提供服务），并且以其通过四轴CNC数控铣削加工，精确创建螺旋齿轮模具组件的生产能力而闻名。
　　
　　大多数模具组件是由粉末冶金材料创建而成，例如CPM的1V、3V和9V材料（这些都是由CrucibleIndustries公司提供的粉末冶金工具钢）。粉末冶金部件由一系列微量金属合金元素经过混合、压缩和烧结制成。在热处理后，这些材料的表面硬度可达55~64HRc。然而，Magaro先生指出，CPM材料中的各种颗粒仍保持其各自的硬度，最高可达70HRc。因此，一把加工这类材料的立铣刀，在铣削穿透很小、很硬的金属颗粒后将很快会寿终正寝。由于这些材料的研磨特性，其结果是：刀具往往会发生过量和难以预见的磨损，甚至引起刀刃断裂。
　　
　　在Quala-Die公司对铜钨电极微加工取得成功后，该车间开始对淬火模具组件采用微加工技术。四年前，该车间从MCMachinerySystems公司（当时MCMachinery公司的经销商为SharplesMachinery公司）购置了一台四轴Roku-RokuHC-658型高速立式加工中心，用于铣削加工这些电极中的细节部位。根据MCMachinery公司提出的建议，Magaro先生与JayBall先生进行了联系，后者是SecoTools公司JabroMini系列实心硬质合金刀具的专家。（所提供的JabroMini刀具系列直径范围从0.0039~0.0590in）（1in=25.4mm，下同）。Ball先生不但建议该车间在开始时应该使用哪些刀具，而且还大力支持该车间为哪类电极的加工努力建立一个有效的微加工工艺。
　　
　　Magaro先生认为，他可以将这些成功经验应用于开发一种适用于淬火粉末冶金模具生产的微加工工艺，以减少对费时的EDM放电加工机床的需求。Magaro先生说：“随着编程员JimCecchetti先生与Ball先生的再一次密切合作，建立了一个在淬火状态下对粉末冶金模具组件进行微加工的稳定一致的工艺。”为了使这类材料中铣削微细部分的公差尺寸保持在小至0.0001in的范围之内，加工工艺的各个方面，包括机床、CAM软件包、刀柄和刀具都必须同心协力。这是因为在这么一个小比例工件上铣削加工时，诸如切屑负荷、跳动误差和整体工艺稳定性等问题都会被放大。这里让我们快速地浏览一下Quala-Die公司采用微加工方法加工的一些关键部件。
　　
　　（1）机床
　　
　　该车间对粉末冶金模具的微加工工作是在转速高达32000r/min的HC-658型机床以及在另一台Roku-RokuVMC立式加工中心上执行的，后者是一台转速高达30000r/min的VS-652型四轴加工机床，该车间在购买前一台机床的一年半之后购置了这台机床（图2）。这两台机床都具备了硬质材料微加工所需的主轴转速和功率，其各自的静态定位精度和重复精度分别为±0.000060in和±0.000020in。Magaro先生说：“每台机床配有油雾冷却液输送系统，这两台机床都提供有均匀的微加工所需的油雾传送功能和微调功能。
　　

图2Quala-Die公司的两台高速Roku-Roku机床用于对硬质模具组件的微加工处理，而来自RoedersofAmerica公司的三台机床则用于石墨的加工

　　
　　此外，这些机床的Z轴上还带有热膨胀补偿功能，以满足车间内环境温度微小变化的需要。”在这些机床上，采用测量长度和直径的激光来执行刀具的测量，是非常重要的。
　　
　　（2）刀柄
　　
　　Quala-Die公司首次将热套刀柄应用于微加工工艺，据说这种方法的跳动误差极小。然而，该车间发现由于反复加热和循环冷却，因此随着时间的推移，这类热套刀柄会逐渐变形。变形的结果会导致微加工工作时的跳动误差过量。现在，这个车间使用来自Rego-Fix公司的powRgrip刀柄系统。该系统由精密套筒式刀柄和用于套筒从夹座插入和拆卸的台式液压机组成（图3）。标准的刀柄经过25000r/min的转速平衡，虽然该车间也经常使用经42000r/min转速平衡的专用刀柄。
　　

图3Quala-Die公司的两台高速Roku-Roku机床用于对硬质模具组件的微加工处理，而来自RoedersofAmerica公司的三台机床则用于石墨的加工

　　
　　除了提供0.00012in的TIR和1100N.m的夹紧力之外，这种刀柄系统还能够实现刀具的快速更换。采用热套系统方式换刀需要花费4min时间，而操作员采用powRgrip系统换刀，只需24s时间（图4）。Magaro先生指出：“这是非常重要的，因为操作员每天必须完成很多次的换刀作业。”现在，这个车间在执行足够量的微加工工作时，每天将消耗高达90把的微型刀具。
　

图4采用这个系统，可以在24s内完成刀具的更换

　　
　　（3）刀具
　　
　　该车间使用的大部分JabroMini立铣刀直径在0.004~0.019in。这些实心硬质合金刀具的直径公差在+0/-0.0004in的范围之内，其跳动误差可以忽略不计。这种微晶粒结构的硬质合金刀具带有耐热抗磨的AlTiN涂层和双沟槽设计，以方便排屑和提供足够的幅面强度。方头立铣刀的几何形状是中性的，倾角为0°，螺旋角也为0°，而球头立铣刀的倾角为0°，螺旋角很小。
　　
　　（4）编程
　　
　　该车间采用了一套中等价位的CAM软件包，用于“标准尺寸”的工件编程，这种软件在这样的应用领域中执行得很好。然而，情况很快变得十分明朗，微加工需要更强大的功能，因为刀具路径的细微差别，例如坡道角度和参与加工的速率，对最大程度地延长小直径刀具的使用寿命是非常关键的。Quala-Die公司现在使用来自西门子公司的NXCAM软件，Cecchetti先生承认，此种软件对编程具有更大的挑战性，但却具有微加工所需的灵活性和编程选项。该车间拥有这一软件的四个席位，而每个编程员的每个工作站拥有两台计算机。一种手动开关箱可以使编程员设置一台计算机，让其验证一个程序（这项工作可能需要花费长达2h的时间，此时，该计算机基本上无法执行其他任务），然后切换到另一台计算机上工作。
　　
　　在建立粉末冶金模具的编程参数时，该车间假定每个工件的硬度明显地超过额定硬度值。Ball先生指出：“对那些材料进行微加工期间，切削深度和跨步不要过分，这一点非常重要。”螺旋插补和螺旋倾斜是有效工作的微加工刀具路径策略。Ball先生建议：螺旋斜坡的倾角在粗加工时不应该大于1°，精加工时不应大于0.5°。这可以最大限度地减少刀尖所受的压力，以防止其断裂。
　　
　　Ball先生说：“高效微加工的关键之一是，使整个切削过程保持一致的切屑负荷。”这就是为什么它很重要的原因，以确定编程进给速度是否与机床能够保持的实际进给速度相匹配。他指出，如果一台机床不能使可编程进给速度，至少保持80%的周期时间，那么该可编程进给速度应该下调到该机床保持的进给速度，以帮助确保一致的切屑负载。例如，如果该程序要求调用40000r/min的转速和100in/min的进给速度，但机床只能保持50in/min的进给速度，那么该主轴速度必须削减一半，以确保其一致的切屑负荷。

图5一套视频测量系统可以让机床操作员通过鉴别微型刀具上涂层的磨损状况或平直度来监控微加工工艺

　　
　　新方法的管理
　　
　　在Quala-Die公司，机床的操作员在微加工操作中起着重要的作用。他们必须关注这一工艺，因为刀具寿命可以是不同的，这取决于被加工的粉末金属的等级。虽然对各级别粉末金属加工时的刀具使用寿命大致上是了解的，但操作员在每次运行后，仍需卸下刀具，并在该车间的MicroVu视频测量系统上检查其磨损的状况（图5）。Cecchetti先生指出，最好是在半精加工后进行检查，这一点特别重要。如果在半精加工后刀具出现磨损迹象，建议操作员用一把新的刀具重新进行一次半精密加工操作，以确保清除合适的加工裕量。这可以防止精加工刀具碰到比预期中更多的材料。只需要万分之几英寸的裕量，就足以应付精加工刀具的微加工切削（图6）。

图6这个圆形模具部件上的微小混合图形是通过微加工生产的

　　
　　由于该车间目前执行着较大批量的微加工操作业务，因此维持刀具的库存量已成为一项挑战性的任务。Quala-Die公司最近安装了一套从Iscar公司引进的双控制箱Matrix矩阵式刀具管理系统，以减轻其工作负担。操作人员使用该系统的触摸屏登录和输入作业信息，该系统会显示出该刀具的抽屉位置。Magaro先生说，该系统可以使车间确定每一项加工业务所需的刀具准确成本。此外，他设置好电子邮件，将信息自动地发送给刀具经销商，以补充其所需的刀具。

图7同样，微加工工艺也适用于加工生产这一硬度为65HRc模具的带槽表面

图8利用从硬质材料微加工中获得的经验，Quala-Die公司已经提高了金刚砂喷涂刀具的使用寿命，这种刀具主要用于石墨电极的加工

　　
　　充分利用现有辅助资源
　　
　　Magaro先生非常重视Ball先生多年来所给予的支持，他确信车间并不总是可以利用来自供应商的帮助（图7、图8）。当然，设备专家是从事产品销售业务的，但许多专家也提供与离散零件生产方面相关的经验和知识，车间可以利用这些知识提高他们的工艺水平。他不断地向他们学习，并且他觉得只要保持开放的机会，别人也一定可以做到。

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